水膜吹离/甩脱模型及积冰过程的数值研究
发布时间：2021-05-05 22:40
当飞机穿过含有过冷水滴的大气或云层时,过冷水滴会撞击在机翼、发动机进口等迎风部件上,从而发生结冰现象。飞机迎风部件表面结冰会降低飞机的气动特性与操纵性能,危害飞机安全。因而对飞机结冰问题进行研究,具有重要的工程意义。明冰是最常见也是危害最大的一种积冰形态,其表面覆有一层薄水膜,水膜会往下游流动,并在流动过程中继续冻结。由于受气流曳力等外力的作用,水膜还可能吹离或甩脱。因此积冰过程中相变与其表面的薄水膜流动紧密耦合,积冰模拟精度受到积冰过程中薄水膜流动模拟精度的直接影响。目前积冰问题研究中很少有考虑到水膜流动与水膜吹离/甩脱现象,现有的水膜流动-积冰模型中认为水膜超过10-4m会被吹走,该基于固定值吹离判据的处理方法较为简单,且与实际物理过程偏差较大。本文的主要工作是在现有的水膜流动-积冰模型的基础上,对积冰过程中的薄水膜流动进行分析,建立薄水膜吹离/甩脱的数学模型,完善水膜流动-积冰模型,并对翼型和旋转整流罩表面的积冰进行数值研究。本文基于冰层表面薄水膜的功平衡分析,建立角状冰表面水膜吹离的数学模型,发展了相应的计算方法,并将其补充到水膜流动-积冰模型的程序中。静...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 结冰现象
1.1.2 明冰积冰过程中薄水膜流动模拟的重要性
1.2 国内外研究现状
1.2.1 积冰过程中水膜流动的研究现状
1.2.2 机翼和旋转部件结冰的研究现状
1.3 本文的主要工作
第二章 积冰计算的基本方程和计算方法介绍
2.1 基本假设
2.2 气液稀疏两相流场与水滴撞击特性的计算方法
2.2.1 欧拉/欧拉法的两相流场控制方程
2.2.2 水收集系数的计算方法
2.2.3 粗糙度模型
2.3 三维积冰与薄水膜流动耦合模型
2.3.1 水膜流动的连续方程
2.3.2 水膜流动的动量方程
2.3.2.1 静止部件表面水膜流动的动量方程
2.3.2.2 旋转部件表面水膜流动的动量方程
2.3.3 水膜流动的能量方程
2.3.4 冰层中的能量方程
2.3.5 冰层的生长速度方程
2.4 计算方法
2.5 本章小结
第三章 积冰过程中水膜吹离/甩脱模型、计算方法与验证
3.1 水膜吹离/甩脱的现象描述及基本假设
3.2 水膜吹离/甩脱模型
3.2.1 水膜吹离/甩脱的功平衡分析
3.2.1.1 黏附功
3.2.1.2 气流曳力做的功
3.2.1.3 由于受到离心力增加的潜能
3.2.2 水膜吹离/甩脱的判定依据
3.2.2.1 旋转部件水膜甩脱的判据
3.2.2.2 角状冰表面水膜吹离的判据
3.3 水膜流动与积冰过程的计算方法
3.4 算例验证与分析
3.4.1 静止圆柱表面积冰的算例验证与分析
3.4.1.1 计算模型与边界条件
3.4.1.2 网格划分与独立性验证
3.4.1.3 计算结果对比分析
3.4.2 旋转整流罩表面积冰的算例验证与分析
3.4.2.1 物理模型、计算域与边界条件
3.4.2.2 网格划分与独立性验证
3.4.2.3 计算结果对比与分析
3.5 本章小结
第四章 翼型表面角状冰水膜流动、吹离与积冰过程的数值模拟
4.1 计算模型与边界条件
4.2 网格划分与独立性分析
4.3 计算结果与分析
4.3.1 两相流场与水膜流动分析
4.3.2 基于固定值吹离判据的水膜厚度与韦伯数在翼型表面的分布
4.3.3 基于韦伯数吹离判据与固定值吹离判据的水膜厚度的对比
4.3.4 基于韦伯数吹离判据与固定值吹离判据的冰形对比分析
4.4 本章小结
第五章 旋转整流罩水膜流动、甩脱与积冰过程的数值模拟
5.1 物理模型、计算域、网格划分
5.2 算例设计与边界条件
5.3 计算结果与分析
5.3.1 转速对水膜甩脱和积冰过程的影响
5.3.1.1 两相流场结果与水收集系数分析
5.3.1.2 未考虑水膜甩脱的水膜厚度与韦伯数分布
5.3.1.3 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的水膜厚度对比
5.3.1.4 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的冰形对比分析
5.3.2 来流速度对水膜甩脱和积冰过程的影响
5.3.2.1 两相流场结果与水收集系数分析
5.3.2.2 未考虑水膜甩脱的水膜厚度与韦伯数分布
5.3.2.3 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的水膜厚度对比
5.3.2.4 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的冰形对比分析
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究[J]. 张丽芬,刘振侠,张斐,张美华. 推进技术. 2017(04)
[2]迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法[J]. 曹广州,吉洪湖,斯仁. 航空动力学报. 2015(03)
[3]旋转整流罩积冰生长与脱落过程的实验[J]. 王健,胡娅萍,吉洪湖,陈宁立,曹广州. 航空动力学报. 2014(06)
[4]三维翼面结冰过程及其影响数值研究[J]. 鲁天,桑为民,刘晓宇,郗超. 航空动力学报. 2014(06)
[5]锥角对旋转整流罩积冰影响的模拟实验[J]. 胡娅萍,吉洪湖,王健,陈宁立,曹广州,童辉,庞黎刚. 航空动力学报. 2014(03)
[6]过冷大水滴飞溅特性数值分析[J]. 王超,常士楠,吴孟龙,靳军. 航空学报. 2014(04)
[7]发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究[J]. 申晓斌,林贵平,卜雪琴,郁嘉,侯盼雪. 航空学报. 2013(03)
[8]模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型[J]. 曹广州,吉洪湖,胡娅萍,庞黎刚,斯仁,冯晓星. 航空动力学报. 2011(09)
[9]多段翼构型的积冰数值模拟[J]. 张强,高正红,傅林. 航空动力学报. 2011(07)
[10]运输机翼型结冰的计算和实验[J]. 易贤,桂业伟,朱国林,杜雁霞. 航空动力学报. 2011(04)
博士论文
[1]迎风表面三维积冰的数学模型与计算方法研究[D]. 曹广州.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]旋转锥体表面积冰机理研究[D]. 梁鹏.北京交通大学 2017
[2]旋转整流罩积冰模拟实验与冰脱落轨迹数值计算研究[D]. 王健.南京航空航天大学 2013
本文编号：3170718
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 结冰现象
1.1.2 明冰积冰过程中薄水膜流动模拟的重要性
1.2 国内外研究现状
1.2.1 积冰过程中水膜流动的研究现状
1.2.2 机翼和旋转部件结冰的研究现状
1.3 本文的主要工作
第二章 积冰计算的基本方程和计算方法介绍
2.1 基本假设
2.2 气液稀疏两相流场与水滴撞击特性的计算方法
2.2.1 欧拉/欧拉法的两相流场控制方程
2.2.2 水收集系数的计算方法
2.2.3 粗糙度模型
2.3 三维积冰与薄水膜流动耦合模型
2.3.1 水膜流动的连续方程
2.3.2 水膜流动的动量方程
2.3.2.1 静止部件表面水膜流动的动量方程
2.3.2.2 旋转部件表面水膜流动的动量方程
2.3.3 水膜流动的能量方程
2.3.4 冰层中的能量方程
2.3.5 冰层的生长速度方程
2.4 计算方法
2.5 本章小结
第三章 积冰过程中水膜吹离/甩脱模型、计算方法与验证
3.1 水膜吹离/甩脱的现象描述及基本假设
3.2 水膜吹离/甩脱模型
3.2.1 水膜吹离/甩脱的功平衡分析
3.2.1.1 黏附功
3.2.1.2 气流曳力做的功
3.2.1.3 由于受到离心力增加的潜能
3.2.2 水膜吹离/甩脱的判定依据
3.2.2.1 旋转部件水膜甩脱的判据
3.2.2.2 角状冰表面水膜吹离的判据
3.3 水膜流动与积冰过程的计算方法
3.4 算例验证与分析
3.4.1 静止圆柱表面积冰的算例验证与分析
3.4.1.1 计算模型与边界条件
3.4.1.2 网格划分与独立性验证
3.4.1.3 计算结果对比分析
3.4.2 旋转整流罩表面积冰的算例验证与分析
3.4.2.1 物理模型、计算域与边界条件
3.4.2.2 网格划分与独立性验证
3.4.2.3 计算结果对比与分析
3.5 本章小结
第四章 翼型表面角状冰水膜流动、吹离与积冰过程的数值模拟
4.1 计算模型与边界条件
4.2 网格划分与独立性分析
4.3 计算结果与分析
4.3.1 两相流场与水膜流动分析
4.3.2 基于固定值吹离判据的水膜厚度与韦伯数在翼型表面的分布
4.3.3 基于韦伯数吹离判据与固定值吹离判据的水膜厚度的对比
4.3.4 基于韦伯数吹离判据与固定值吹离判据的冰形对比分析
4.4 本章小结
第五章 旋转整流罩水膜流动、甩脱与积冰过程的数值模拟
5.1 物理模型、计算域、网格划分
5.2 算例设计与边界条件
5.3 计算结果与分析
5.3.1 转速对水膜甩脱和积冰过程的影响
5.3.1.1 两相流场结果与水收集系数分析
5.3.1.2 未考虑水膜甩脱的水膜厚度与韦伯数分布
5.3.1.3 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的水膜厚度对比
5.3.1.4 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的冰形对比分析
5.3.2 来流速度对水膜甩脱和积冰过程的影响
5.3.2.1 两相流场结果与水收集系数分析
5.3.2.2 未考虑水膜甩脱的水膜厚度与韦伯数分布
5.3.2.3 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的水膜厚度对比
5.3.2.4 考虑水膜甩脱与未考虑水膜甩脱的冰形对比分析
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究[J]. 张丽芬,刘振侠,张斐,张美华. 推进技术. 2017(04)
[2]迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法[J]. 曹广州,吉洪湖,斯仁. 航空动力学报. 2015(03)
[3]旋转整流罩积冰生长与脱落过程的实验[J]. 王健,胡娅萍,吉洪湖,陈宁立,曹广州. 航空动力学报. 2014(06)
[4]三维翼面结冰过程及其影响数值研究[J]. 鲁天,桑为民,刘晓宇,郗超. 航空动力学报. 2014(06)
[5]锥角对旋转整流罩积冰影响的模拟实验[J]. 胡娅萍,吉洪湖,王健,陈宁立,曹广州,童辉,庞黎刚. 航空动力学报. 2014(03)
[6]过冷大水滴飞溅特性数值分析[J]. 王超,常士楠,吴孟龙,靳军. 航空学报. 2014(04)
[7]发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究[J]. 申晓斌,林贵平,卜雪琴,郁嘉,侯盼雪. 航空学报. 2013(03)
[8]模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型[J]. 曹广州,吉洪湖,胡娅萍,庞黎刚,斯仁,冯晓星. 航空动力学报. 2011(09)
[9]多段翼构型的积冰数值模拟[J]. 张强,高正红,傅林. 航空动力学报. 2011(07)
[10]运输机翼型结冰的计算和实验[J]. 易贤,桂业伟,朱国林,杜雁霞. 航空动力学报. 2011(04)
博士论文
[1]迎风表面三维积冰的数学模型与计算方法研究[D]. 曹广州.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]旋转锥体表面积冰机理研究[D]. 梁鹏.北京交通大学 2017
[2]旋转整流罩积冰模拟实验与冰脱落轨迹数值计算研究[D]. 王健.南京航空航天大学 2013
本文编号：3170718
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